廄肥撒施機監(jiān)控系統(tǒng)的研制

張 鵬，孫永佳，沈景新，李青龍，陳 剛，竇青青

(1.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261200；2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100)

0 引言

廄肥也叫圈肥、欄肥，是指以家畜糞尿為主，混以各種墊圈材料積制而成的肥料，是最主要的有機肥料。廄肥的施用可增進土壤的活化性及透氣性，提高土壤的保水，緩解土壤板結(jié)化，改善土壤理化性能，提高地力，實現(xiàn)增產(chǎn)增效。國內(nèi)傳統(tǒng)的廄肥的撒施主要采用人工拋灑，勞動強度大，效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求?，F(xiàn)有施肥機大多由拋撒化肥的設(shè)備改制而成，缺少智能化監(jiān)控裝置，物料狀態(tài)無法實時監(jiān)測，拋撒幅度無法實時調(diào)節(jié)，適應(yīng)性差，無法滿足不同地塊和土壤狀況對廄肥拋撒的需求。因此，研制與廄肥撒施機配套的智能化監(jiān)控系統(tǒng)顯得極為重要[1-4]。

為了解決上述問題，設(shè)計了一款廄肥撒施機監(jiān)控系統(tǒng)，可以根據(jù)作業(yè)地塊大小和土壤狀況通過觸摸屏設(shè)定施肥量、拋撒幅度和出料口高度，拋撒過程中根據(jù)作業(yè)速度自動調(diào)節(jié)施肥量，保證實際施肥量與設(shè)定施肥量一致。廄肥料斗裝有監(jiān)視系統(tǒng)，對裝料、卸料過程進行實時監(jiān)測。當(dāng)廄肥裝滿料斗或缺料時，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報聲音；物料堵塞時，發(fā)出警報并啟動自動疏通裝置進行疏通。控制器實時采集計算拋撒盤轉(zhuǎn)速、輸送裝置轉(zhuǎn)速、速度及作業(yè)面積等作業(yè)參數(shù)，并傳輸至觸摸屏進行顯示。

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

廄肥撒施機主要由料斗總成、底盤行走系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、物料輸送拋撒系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。作業(yè)時，牽引架與拖拉機的后牽引裝置連接，液壓管路與拖拉機液壓輸出連接。

1.機架 2.液壓系統(tǒng) 3.料斗 4.筋板 5.輸送裝置 6.拋撒裝置 7.地輪 8.筋板 9.機動傳動圖1 廄肥撒施機結(jié)構(gòu)示意圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

廄肥撒施機監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要由控制器、料斗、物料狀態(tài)監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊、比例閥驅(qū)動模塊、物料堵塞疏通模塊和觸摸屏顯示模塊等組成, 如圖2所示。作業(yè)開始前，根據(jù)作業(yè)地塊大小和土壤狀況通過觸摸屏設(shè)定施肥量、拋撒幅度和出料口高度;參數(shù)設(shè)定完成后，監(jiān)控系統(tǒng)開始輸出液壓系統(tǒng)驅(qū)動信號，進行物料輸送和拋撒，并實時監(jiān)測拋撒盤轉(zhuǎn)速、輸送裝置轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速異常時進行報警提示；監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測料斗中廄肥的變化情況，缺料時發(fā)出警報提示需裝料，物料堵塞時發(fā)出警報并啟動自動疏通裝置進行疏通。作業(yè)過程中，速度傳感器檢測均布于地輪圓周的測速螺母，并將檢測信號傳輸至控制器，由控制器按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型計算作業(yè)速度和作業(yè)面積等信息。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 控制芯片

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的控制芯片選用TI公司的32位定點型DSP芯片—TMS320F2812。該芯片采用高性能的CMOS技術(shù)，CPU主頻高達150MHz，支持JTAG在線仿真接口，具有快速的中斷響應(yīng)和中斷處理能力，滿足系統(tǒng)設(shè)計時驅(qū)動比例閥需要進行的復(fù)雜PID運算要求[5]。

3.2 電源電路

控制芯片TMS320F2812對電源要求很敏感，電源芯片輸出的電壓值要求必須穩(wěn)定在3.3V和1.9V。其中，3.3V為Flash供電，1.9V為內(nèi)核供電電源芯片。電源芯片上的電容要匹配好，否則可能導(dǎo)致電源芯片里的振蕩電路工作一段時間后停止振蕩。因此，本文選用電壓精度比較高的電源芯片TPS767D301，其輸入電壓為+5V，芯片正常起振后輸出3.3V和1.9V兩種電壓供DSP使用。圖3為電源產(chǎn)生電路。

3.3 物料堵塞疏通電路

物料堵塞時通過高振動力振動電機實現(xiàn)疏通，振動電機通過繼電器驅(qū)動，電路如圖4所示?？刂菩酒琓MS320F2812輸出的驅(qū)動信號電壓為3.3V，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245轉(zhuǎn)換為5V后進入達林頓管ULN2803。ULN2803是8路NPN達林頓連接晶體管陣，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路(如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)和較高的電流/電壓要求之間的接口，是比較常見的繼電器驅(qū)動芯片，具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。繼電器選用歐姆龍公司的G6B-114，輸入驅(qū)動電壓為+5V，驅(qū)動電流可達5A，滿足設(shè)計需求。

圖3 電源電路

圖4 繼電器驅(qū)動電路

3.4 比例閥驅(qū)動電路

本文設(shè)計輸送裝置和拋撒裝置均采用比例電磁閥進行驅(qū)動，輸送速度和拋撒盤轉(zhuǎn)速可調(diào)，滿足不同地塊和土壤狀況的需求。驅(qū)動芯片選用英飛凌公司的大電流半橋高集成功率芯片BTS7960，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動Ic，集成的驅(qū)動Ic具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生，以及過溫、過壓、欠壓、過流、短路保護的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16mQ，內(nèi)阻很小，散熱不厲害，驅(qū)動電流可達43A[6]。比例閥驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 比例閥驅(qū)動電路

主芯片輸出的PWM信號經(jīng)高速光耦6N137進行光電隔離，隔離后的PWM信號連接到BTS7960的IN引腳，OUT引腳輸出大電流驅(qū)動信號驅(qū)動比例閥。BTS7960的引腳Is具有電流檢測功能，正常模式下，從Is引腳流出的電流與流經(jīng)高邊MOS管的電流成正比。在故障條件下，Is引腳輸出高電平，通過該引腳的狀態(tài)可以判斷驅(qū)動芯片是否正常工作。

3.5 轉(zhuǎn)速監(jiān)測電路

地輪速度與轉(zhuǎn)速的測量原理相似，本文設(shè)計時均采用接近開關(guān)傳感器來實現(xiàn)。地輪、輸送鏈條和撒肥盤運轉(zhuǎn)時，傳感器輸出一定時間間隔的脈沖信號，通過軟件判斷脈沖信號的時間周期并結(jié)合對應(yīng)的機械尺寸，即可計算出行駛速度和轉(zhuǎn)速，測量電路如圖6所示。脈沖信號經(jīng)前端一階低通濾波電路及光耦進行濾波隔離，處理后的信號進入電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245轉(zhuǎn)換為DSP對應(yīng)的IO口電壓3.3V，DSP按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進行速度與轉(zhuǎn)速計算[7]。

圖6 轉(zhuǎn)速監(jiān)測電路

4 觸摸屏設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與顯示都通過觸摸屏來實現(xiàn)，觸摸屏選用迪文公司的DMT80480T070_16WT。該觸摸屏為7.0英寸800×480圖形點陣65K色，基于迪文K600+模塊，并搭載DUGS系統(tǒng)，供電電壓為6～+42V，與控制器之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)通訊[8]。觸摸屏顯示界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏主界面

用戶可根據(jù)作業(yè)地塊和土壤狀況的實際情況，點擊觸摸屏上的施肥量、拋撒幅度及出料口高度設(shè)置作業(yè)參數(shù)，點擊設(shè)置按鍵后會彈出數(shù)字輸入鍵盤，如圖8所示。輸入設(shè)定量后點擊“Enter”，控制器通過對應(yīng)的通訊協(xié)議即可解析出設(shè)定的參數(shù)值。開始作業(yè)后，監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視廄肥撒施機的作業(yè)速度、撒播盤轉(zhuǎn)速、輸送裝置轉(zhuǎn)速，以及料斗、物料狀態(tài)等參數(shù)，并通過觸摸屏進行顯示。當(dāng)監(jiān)測到料斗缺料、滿料時，進行報警提示，并在觸摸屏對應(yīng)位置顯示相應(yīng)的報警字樣。當(dāng)監(jiān)測到物料堵塞時，觸摸屏物料狀態(tài)一欄顯示“堵塞”，控制器啟動疏通裝置，疏通成功后，屏上的“堵塞”字樣消失。

圖8 數(shù)字鍵盤

5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

機具作業(yè)時，地輪開始轉(zhuǎn)動，傳感器輸出信號，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的公式計算作業(yè)速度和作業(yè)面積。

式中V—作業(yè)速度(m/s)；

D—地輪直徑(m)；

N—傳感器感應(yīng)測速螺栓數(shù)；

T—傳感器捕獲相鄰2個脈沖的時間間隔。

式中S—作業(yè)面積(666.67m2)；

D—地輪直徑(m)；

N—傳感器感應(yīng)測速螺栓數(shù)；

n—傳感器捕獲脈沖數(shù)；

L—作業(yè)幅寬(m)。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序流程如圖9所示。上電后，先初始化事件管理器，然后初始化定時器、PWM和eCAN模塊，初始化完畢后等待200μs定時中斷到來；在定時中斷里啟動eCAN通訊，讀取觸摸屏設(shè)定的施肥量、拋撒幅度和出料口高度等參數(shù)，讀取完畢后，系統(tǒng)開始工作并輸出PWM信號驅(qū)動輸送裝置和撒播盤；系統(tǒng)讀取傳感器輸出的脈沖信號，并進行速度、面積和轉(zhuǎn)速的計算，同時根據(jù)計算出的轉(zhuǎn)速判斷撒播盤和輸送裝置是否存在異常；轉(zhuǎn)速判斷為正常后，判斷出料口物料是否堵塞，堵塞則啟動自動疏通裝置進行疏通，物料狀態(tài)也正常時，判斷料斗是否缺料，缺料則進行缺料報警并停機裝料；都正常后，啟動eCAN發(fā)送程序，把作業(yè)參數(shù)發(fā)送到觸摸屏顯示。作業(yè)過程中，輸送裝置轉(zhuǎn)速、出料口高度根據(jù)作業(yè)速度的變化實時調(diào)節(jié)，保證不同作業(yè)速度下的施肥量與設(shè)定值保持一致。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

6 田間試驗與結(jié)果

6.1 試驗設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)在鄒城市特力機械工具有限公司研制的2FX-3000型廄肥撒施機上進行了應(yīng)用。為了檢驗監(jiān)控系統(tǒng)的實際工作性能，進行了速度檢測與施肥量試驗。試驗在該公司試驗場進行，牽引動力為福田-80型拖拉機。

6.2 速度檢測試驗

試驗中，拖拉機在不同擋位下調(diào)整手油門，保持不同速度下勻速行駛50m，分別記錄行駛時間和觸摸屏顯示的行駛速度，按照V=S/t將計算出來的速度與系統(tǒng)顯示速度進行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 速度檢測試驗結(jié)果

續(xù)表1

由表1可以看出：速度檢測最大相對誤差為4%，最小誤差為0，誤差均在5%以內(nèi)。可見，系統(tǒng)測量的作業(yè)速度準(zhǔn)確性比較高。

6.3 施肥量試驗

使用截面450mm×350mm、深100mm的接肥盒用于接拋撒下來的廄肥，采用二維矩陣收集的方法進行試驗。試驗中，拖拉機在4.2km/h的速度下勻速行駛50m，通過觸摸屏設(shè)定拋撒幅度為20m，并設(shè)定不同的施肥量，將設(shè)定施肥量與二維矩陣收集法計算出來的實際施肥量進行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 施肥量試驗結(jié)果

由表2可知：本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)施肥效果較好，性能穩(wěn)定，實際施肥量與設(shè)定施肥量的相對誤差最大值為6.01%，最小值為2.16%。較大誤差產(chǎn)生的原因主要是：廄肥收集時部分廄肥會從肥盒中碰撞彈出去，同時收集的廄肥里面含有石子，影響稱重的準(zhǔn)確性。

7 結(jié)論

本文設(shè)計的廄肥撒施機監(jiān)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，缺料、堵塞報警準(zhǔn)確率高等特點。該系統(tǒng)的應(yīng)用有效地解決了現(xiàn)有廄肥撒施機缺少智能化監(jiān)控裝置、物料狀態(tài)無法實時監(jiān)測、拋撒幅度無法實時調(diào)節(jié)，以及無法滿足不同地塊和土壤狀況需求等問題。該監(jiān)控系統(tǒng)的研制極大地提高了畜禽糞便的綜合利用程度，加快了廄肥撒施機械的智能化進程，對促進我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、減輕農(nóng)民勞動強度及改善生態(tài)環(huán)境等都具有十分重要的意義。

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